自动控制原理及系统仿真课程设计学号：1030620227姓名：李斌指导老师：胡开明学院：机械与电子工程学院2013年11月目录一、设计要求 (1)二、设计报告的要求 (1)三、题目及要求 (1)（一）自动控制仿真训练 (1)（二）控制方法训练 (19)（三）控制系统的设计 (23)四、心得体会 (27)五、参考文献 (28)自动控制原理及系统仿真课程设计一：设计要求：1、 完成给定题目中，要求完成题目的仿真调试，给出仿真程序和图形。

2、 自觉按规定时间进入实验室，做到不迟到，不早退，因事要请假。

严格遵守实验室各项规章制度，实验期间保持实验室安静，不得大声喧哗，不得围坐在一起谈与课程设计无关的空话，若违规，则酌情扣分。

3、 课程设计是考查动手能力的基本平台，要求独立设计操作，指导老师只检查运行结果，原则上不对中途故障进行排查。

4、 加大考查力度，每个时间段均进行考勤，计入考勤分数，按照运行的要求给出操作分数。

每个人均要全程参与设计，若有1/3时间不到或没有任何运行结果，视为不合格。

二：设计报告的要求：1.理论分析与设计2.题目的仿真调试，包括源程序和仿真图形。

3.设计中的心得体会及建议。

三：题目及要求一）自动控制仿真训练1.已知两个传递函数分别为：ss x G s x G +=+=22132)(,131)(①在MATLAB中分别用传递函数、零极点、和状态空间法表示；MATLAB代码：num=[1]den=[3 1]G=tf(num,den)[E F]=zero(G)[A B C D]=tf2ss(num,den)num=[2]den=[3 1 0]G=tf(num,den)[E F]=zero(G)[A B C D]=tf2ss(num,den)仿真结果：num =2den =3 1 0Transfer function:2---------3 s^2 + sE = Empty matrix: 0-by-1F = 0.6667A =-0.3333 01.0000 0B= 1C = 0 0.6667D = 0num = 1den =3 1Transfer function:1-------3 s + 1E =Empty matrix: 0-by-1F =0.3333A = -0.3333B =1C =0.3333D =0②在MATLAB中分别求出通过反馈、串联、并联后得到的系统模型。

MATLAB代码：num1=[1]den1=[3 1]G1=tf(num1,den1) num2=[2]den2=[3 1 0]G2=tf(num2,den2) G3=G1*G2G4=G1+G2仿真结果：num1 =1den1 =3 1 Transfer function:1-------3 s + 1num2 =2den2 = 3 1 0 Transfer function:2---------3 s^2 + sTransfer function:2-----------------9 s^3 + 6 s^2 + sTransfer function:3 s^2 + 7 s + 2-----------------9 s^3 + 6 s^2 + s2.系统的传递函数模型为2450351024247)(23423+++++++=s s s s s s s s G ，判断系统的稳定性。

MATLAB 代码：num=[1 7 24 24]den=[1 10 35 50 24]G=tf(num,den)p=eig(G)p1=pole(G)r=roots(den)仿真结果：num = 1 7 24 24den = 1 10 35 50 24Transfer function:s^3 + 7 s^2 + 24 s + 24---------------------------------s^4 + 10 s^3 + 35 s^2 + 50 s + 24p =-4.0000-3.0000-2.0000-1.0000p1=-4.0000-3.0000-2.0000-1.0000r =-4.0000-3.0000-2.0000-1.00003.单位负反馈系统的开环传递函数为)22)(73.2()(2+++=s s s s ks G ，绘制根轨迹图，并求出与实轴的分离点、与虚轴的交点及对应的增益。

MATLAB 代码：num=1den=conv([1 2.73 0],[1 2 2])rlocus(num,den)axis([-8 8 -8 8])figure(2)r=rlocus(num,den);plot(r,'-')axis([-8 8 -8 8])gtext('x')gtext('x')gtext('x')仿真结果：num =1den =1.0000 4.7300 7.4600 5.4600 04.已知系统的开环传递函数为)15.0)(12.0()110(5)(2++++=s s s s s s G ，绘制系统的Bode 图和Nyquist,并能够求出系统的幅值裕度和相角裕度。

MATLAB代码：s=tf('s')G=5*(10*s+1)/(s*(s^2+0.2*s+1)*(0.5*s+1)) figure(1)bode(G)gridfigure(2)nyquist(G)gridaxis([-2 2 -5 5])仿真结果：Transfer function:sTransfer function:50 s + 5-------------------------------0.5 s^4 + 1.1 s^3 + 0.7 s^2 + s5．考虑如图所示的反馈控制系统的模型，各个模块为 4324)(23+++=s s s s G ，33)(+-=s s s G c ，101.01)(+=s s H ，用MATLAB 语句分别得出开环和闭环系统的阶跃响应曲线。

MATLAB代码：num=[4]den=[1 2 3 4]G=tf(num,den)G0=feedback(G,1) step(G0)[y,t]=step(G0) plot(t,y)num=[1 -3]den=[1 3]G=tf(num,den)G0=feedback(G,1) step(G0)[y,t]=step(G0) plot(t,y)num=[1]den=[0.01 1]G=tf(num,den)G0=feedback(G,1) step(G0)[y,t]=step(G0) plot(t,y)num1=[4]den1=[1 2 3 4]G1=tf(num1,den1) num2=[1 -3]den2=[1 3]G2=tf(num2,den2) num3=[1]den3=[0.01 1]G3=tf(num3,den3) G=G1*G2G0=feedback(G,G3) step(G0)[y,t]=step(G0) plot(t,y)figure(2)step(G)[y,t]=step(G)plot(t,y)仿真结果：num =4den =1 2 3 4 Transfer function:4---------------------s^3 + 2 s^2 + 3 s + 4 Transfer function:4---------------------s^3 + 2 s^2 + 3 s + 8y =1.0e+024 *0……-0.83942.3467-3.84664.9206-5.09013.9226t = 01.42932.85864.28795.71727.14658.5758. .……464.5216 465.9509 467.3802 468.8094num =1 -3 den =1 Transfer function: s - 3-----s + 3Transfer function: s - 3-----2 sy = 1.0e+004 *num =1den =0.0100 1.0000 Transfer function:1----------0.01 s + 1Transfer function:1----------0.01 s + 2y =0t=0num1 =4den1 =1 2 3 4 Transfer function:4---------------------s^3 + 2 s^2 + 3 s + 4num2 =1 -3den2 =1 3Transfer function:s - 3-----s + 3num3 =1den3 =0.0100 1.0000 Transfer function:1----------0.01 s + 1Transfer function:4 s - 12-------------------------------s^4 + 5 s^3 + 9 s^2 + 13 s + 12 Transfer function:0.04 s^2 + 3.88 s - 12---------------------------------------------------0.01 s^5 + 1.05 s^4 + 5.09 s^3 + 9.13 s^2 + 17.12 s y = 1.0e+004 *t=0二）控制方法训练 微分先行控制设控制回路对象142)(G 4+=-s e s s，分别采用常规PID 和微分先行PID 控制后系统输出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。

Simulink 仿真如下：Smith 预估控制设控制回路对象142)(G 4+=-s e s s，设计Smith 预估控制器，分别采用常规PID 和Smith 预估控制后系统输出的响应曲线，比较改进后的算法对系统滞后改善的作用。

Simulink仿真如下：大林算法控制设被控对象传函14)(G 2+=-s e s s ，目标闭环传递函数12e s 2+=-s s）（ϕ，试设计大林控制器，并在Matlab 中进行验证。

Simulink 仿真如下：三）控制系统的设计1.双容水箱串级控制系统的设计要求：完成双容水箱控制系统的性能指标：超调量<30%,调节时间<30s,扰动作用下系统的性能较单闭环系统有较大的改进。

1）. 分析控制系统的结构特点设计合理的控制系统设计方案；2）.建立控制系统的数学模型，完成系统的控制结构框图；3）.完成控制系统的主副控制器的控制算法策略的选择(PID)，并整定相应的控制参数；4）.完成系统的MATLAB仿真，验证控制算法的选择，并要求达到系统的控制要求，完成系统的理论的设计。